《仪器分析——核磁共振波谱法》电子书

核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

本章学习要点 了解引起核磁共振的能量跃迁类型以及能量、回旋 频率、磁场强度、振动频率之间的相互关系。 了解发生核磁共振的必要条件以及怎样鉴别共振; 了解什么因素决定着核的屏蔽作用以及这些因素将 怎样影响化学位移; 了解自旋一自旋偶合以及相邻核之间的相互作用; 了解样的各向异性效应,氢核之间的快速交换以及 氢键缔合等因素对化学位移的影响。在决定分子结 构图式时,能够利用化学位移及偶合常数; 能够辨认并计算因自旋—自旋干扰产生的裂分图像 类型,并会测定各种化学位移及偶合常数的数值

本章学习要点 – 了解引起核磁共振的能量跃迁类型以及能量、回旋 频率、磁场强度、振动频率之间的相互关系。 – 了解发生核磁共振的必要条件以及怎样鉴别共振； – 了解什么因素决定着核的屏蔽作用以及这些因素将 怎样影响化学位移； – 了解自旋—自旋偶合以及相邻核之间的相互作用； – 了解样的各向异性效应，氢核之间的快速交换以及 氢键缔合等因素对化学位移的影响。在决定分子结 构图式时，能够利用化学位移及偶合常数； – 能够辨认并计算因自旋—自旋干扰产生的裂分图像 类型，并会测定各种化学位移及偶合常数的数值

1基本原理

1 基本原理

1.1原子核的自旋 自旋量子数Ⅰ>0的原子核有自旋现象和自旋 角动量。当I=%时,核电荷呈球形分布于 核表面,它们的核磁共振现象较为简单,属 于这一类的主要原子核有HI1、15N7、13C6、 1F、3P15。其中研究最多、应用最多的是 H和13C核磁共振谱

1.1 原子核的自旋 – 自旋量子数 I >0的原子核有自旋现象和自旋 角动量。当 I= ½ 时，核电荷呈球形分布于 核表面，它们的核磁共振现象较为简单，属 于这一类的主要原子核有1H1、 15N7、 13C6、 19F9、 31P15。其中研究最多、应用最多的是 1H和13C核磁共振谱

自旋量子数 自旋量子数I与原子的质量数A及原子序数Z有关。 Spin quantum number for various nuclei Number of protons Number of Neutrons Spin Quantum Number()Examples Even Even 0 12C,160,32s Odd Even 1/2 1H,19F,3P B.35c|.79B 3/2 Even Odd 13C Odd Od

Spin quantum number for various nuclei Number of protons Number of Neutrons Spin Quantum Number (I) Examples Even Even 0 12C, 16O, 32S Odd Even 1/2 1H, 19F, 31P " " 3/2 11B,35Cl, 79Br, 127I Even Odd 1/2 13C " " 5/2 17O Odd Odd 1 2H, 14N • 自旋量子数 – 自旋量子数I与原子的质量数A及原子序数Z有关

自旋角动量 些原子核有自旋现象,因而具有自旋角动 量。由于核是带电粒子,故在自旋同时将产 生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量,磁矩的 方向可用右手定则确定。 核的自旋角动量P是量子化的,不能任意取 数,并可用核的自旋量子数I表示。 h √(+1) hI 2: 2兀

• 自旋角动量 – 一些原子核有自旋现象，因而具有自旋角动 量。由于核是带电粒子，故在自旋同时将产 生磁矩。核磁矩与角动量都是矢量，磁矩的 方向可用右手定则确定。 – 核的自旋角动量P是量子化的，不能任意取 数，并可用核的自旋量子数I表示。 ( ) 2 1 2 hI I I h p = +  π

核磁矩μ(核磁子0) 反映自旋核产生的磁场强度 -10=5049×103焦耳高斯 磁旋比 对于给定的原子核,μ,r,p等为定值。 uH=2.7927o r1-267519×104

• 核磁矩(核磁子0 ) – 反映自旋核产生的磁场强度 – 10=5.049×10-31 焦耳/高斯 • 磁旋比 对于给定的原子核 ，  , r, p等为定值。  H=2.7927 o rH=2.67519×104 p hI r  2  = =

磁量子数 若将自旋核放入场强为H的磁场中,由 于磁矩与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁 场有不同的取向。按照量子力学原理,它们 在外磁场方向的投影是量子化的,可用磁量 子数m描述之。M可取下列数值: m=I,I-1,I-2……1I

• 磁量子数 若将自旋核放入场强为H0的磁场中，由 于磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁 场有不同的取向。按照量子力学原理，它们 在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量 子数m描述之。M可取下列数值： m=I, I-1, I-2……-I

1.2自旋核在磁场中的取向与能量 自旋取向数 按照量子理论,磁性核在外加磁场中的自旋取 向不是任意的,并可按下式计算 自旋取向数=2I+1 I=1/2 自旋取向数=21- 自旋取向数=31,0,-1 I=2 自旋取向数=5-2,-1,0,1,2 每一种取向即为一种不同能量的状态

1.2 自旋核在磁场中的取向与能量 • 自旋取向数 按照量子理论，磁性核在外加磁场中的自旋取 向不是任意的，并可按下式计算： 自旋取向数=2I+1 I=1/2 自旋取向数=2 ½, - ½ I=1 自旋取向数=3 1, 0, -1 I=2 自旋取向数=5 -2, -1, 0, 1, 2 每一种取向即为一种不同能量的状态

不同自旋取向的能级差 每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量 状态。对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核,量 子能级的能量可用下式确定: —外加磁场强度,高斯(G); E μ—核的磁矩,质子的磁矩为2.7927μo IH在外磁场中只有m=+1/2及m=-1/2两种取向,其能 量分别为:E12=H和E1=H

• 不同自旋取向的能级差 每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量 状态。对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核，量 子能级的能量可用下式确定： H0 I m E  = − H0——外加磁场强度，高斯（G）； μ——核的磁矩，质子的磁矩为2.7927 μ0。 1H在外磁场中只有m=+1/2及m=-1/2两种取向，其能 量分别为： E-1/2 =-μH0和E+1/2=μH0